Computación cuántica.

Durante la mayor parte de nuestra historia, la tecnología consistió en nuestros cerebros, fuego y palos puntiagudos, después se transformaron en plantas y armas nucleares, la mayor actualización le ocurrió a nuestros cerebros. Desde los años 60, el poder de nuestros cerebros artificiales ha aumentado exponencialmente, permitiendo computadoras más pequeñas y más poderosas a la misma vez. Pero este proceso está por alcanzar su límite físico. Las partes de la computadora están alcanzando tamaño de un átomo.

Para entender porque es un problema, debemos aclarar lo básico. Una computadora está hecha de componentes muy simples haciendo cosas simples, representando a los datos, la forma de procesarlos y controlar los mecanismos. Los chip de computadora contienen módulos, los cuales contienen puertas lógicas, los cuales contienen transistores.

Un transistor es la forma más simple de un procesador de datos en computadoras, básicamente, un interruptor que puede bloquear o abrir el camino para la información que entra. Esta información está hecha de bits, los cuales pueden ser o cero o uno. Combinaciones de muchos bits son usados para representar información más compleja. Los transistores se combinan para crear puertas lógicas,  que aún hacen cosas muy simples. Por ejemplo, una puerta Y (AND) envía una salida de uno si todas sus entradas son uno y una salida cero en su defecto; el inversor tiene una entrada y una salida: si la entrada no está conectada saldrá electricidad, y viceversa. Espero que no estés roncando después de leer esto, lo llamamos lógica.

Las combinaciones de puertas lógicas finalmente forman módulos significativos, digamos, para agregar dos números. Cuando puedas agregar, también podrás multiplicar, y cuando puedas multiplicar, puedes hacer básicamente cualquier cosa. Ya que las operaciones básicas son literarmente más simples que las matemáticas de primer grado, puedes imaginar una computadora como un grupo de niños de siete años resolviendo problemas matemáticos muy básicos. Un grupo grande de ellos pueden computar de todo, desde astrofísica hasta un videojuego.

Sin embargo, con los transistores haciéndose más pequeños, la física cuántica está haciendo las cosas más complicadas. En resumen, un transistor es solo un interruptor eléctrico. La electricidad son electrones moviéndose de un lado a otro, así que un interruptor es un pasaje que puede bloquear a los electrones para moverse en una dirección.

Hoy, una escala típica (ley de Moore) para los transistores es de 14 nanómetros, lo cual es aproximadamente 8 veces más pequeño que el diámetro del virus del VIH y 500 veces más pequeño que el de un glóbulo rojo. Mientras los transistores se empequeñecen al tamaño de apenas unos átomos, los electrones podrían simplemente transferirse al otro lado de un pasaje bloqueado a través de un proceso llamado «efecto túnel».

En el reino cuántico existen sus propias reglas, la física funciona de forma muy diferente a la forma predecible a la que estamos acostumbrados, y las computadoras tradicionales simplemente dejan de tener sentido. Nos aproximamos a una barrera física real para nuestro progreso tecnológico. Para solucionar este problema, los científicos están tratando de usar estas propiedades cuánticas inusuales para su provecho para así construir computadoras cuánticas. En computadoras normales, los bits son las unidades más pequeñas de información.

Con estos bits el ordenador realiza operaciones de forma que obtiene un resultado que puede ser desde el movimiento del ratón hasta la realización de un cálculo matemático pasando por simulaciones en 3D. Todos los procesos del ordenador se realizan mediante bits y operaciones con ellos. En un ordenador cuántico la información se guarda en qubits (quantum bits) que tienen 3 estados posibles: arriba, abajo y cualquier mezcla de los anteriores.

Un qubit puede ser cualquier sistema cuántico de dos niveles, como un giro en un campo magnético o un simple fotón. Cero y uno son los estados posibles de este sistema, como la polarización horizontal o vertical del fotón. Sin embargo, en el mundo cuántico, el qubit no tiene que estar necesariamente en uno de estos estados; puede estar en cualquier proporción de ambos estados a la vez. Qué lio ¿verdad?. Esto se llama superposición. Pero enseguida que pruebes su valor, por ejemplo enviando el fotón a través de un filtro, tiene que decidir entre estar polarizado vertical u horizontalmente. Así que, mientras que no sea observado, el qubit estará en una superposición de probabilidades para cero o uno, y no puedes predecir cuál será. Pero en el instante que lo midas, se colapsará en uno de los estados definidos. Digamos que está todo el tiempo a su aire y cuando le echas el ojo se ponen formales, en uno de los dos estados.

La superposición cambia el juego completamente. Cuatro bits básicos pueden ser 2 elevados a 4 configuraciones diferentes a la vez. Eso significa 16 combinaciones posibles, de las cuales solo pueden usar una. Sin embargo, cuatro qubits en superposición, pueden estar en todas esas 16 combinaciones ¡¡a la vez!!. Este número crece exponencialmente con cada qubit extra. De hecho, con un poco de matemáticas es fácil ver que un sistema de X qubits contiene 2^X bits de información. Por ejemplo 20 qubits ya pueden almacenar un millón de valores en paralelo. Una propiedad muy extraña y poco intuitiva que los qubits pueden tener es: el enlazamiento, es decir una conexión cercana que hace que cada uno de los qubits reaccionen a un cambio de estado del otro instantáneamente, sin importar lo lejos que estén. Esto significa que cuando medimos un qubit enlazado, puedes deducir directamente las propiedades de su compañero sin tener que mirar. La manipulación qubit también es confusa.

Una puerta lógica normal consigue un set de entradas simples y produce una salida definitiva. Una puerta cuántica manipula una entrada de superposiciones, rota las probabilidades, y produce otra superposición como su salida. Una computadora cuántica configura algunos qubits, hace que las puertas cuánticas las enlacen y manipula probabilidades, midiendo al final la salida, colapsando las superposiciones a una secuencia de ceros y unos. Lo que significa que consigue el lote de cálculos que son posibles con tu configuración hechas todas a la misma vez. Al final, solo puedes medir uno de los resultados, y probablemente será el resultado que quieres, así que probablemenete tengas que asegurarte y chequear de nuevo.

Pero explotando inteligentemente la superposición y el enlazamiento, esto puede ser exponencialmente más eficiente que lo que podría ser posible en una computadora normal. Aunque las computadoras cuánticas probablemente no reemplacen nuestro PCs a corto plazo, pero son más potentes, por ejemplo, en la búsqueda en base de datos. Para buscar algo en una base de datos, una computadora normal quizás tenga que probar cada una de sus entradas. Los algoritmos cuánticos solo necesitan la raiz cuadarada de ese tiempo, lo cual, para bases de datos grandes, es una gran diferencia. El uso más famoso de las computadoras cuánticas es arruinar la seguridad de la informática. Ahora mismo, tu correo de navegación y datos bancarios están seguros por un sistema de encriptación por el cual le das a todos una llave pública para codificar mensajes que solo tú puedes decodificar.

El problema es que esta llave pública puede ser usada para calcular tu llave privada secreta. Por suerte, haciendo las matemáticas necesarias en computadoras normales tardaría literalmente años de prueba y error. Pero una computadora cuántica con un acelerón exponencial lo haría muy rápido. Otro nuevo uso excitante son las simulaciones. Simulaciones del mundo cuántico consumen muchos recursos, e incluso para estructuras más grandes, como las moléculas, usualmente no son muy precisas. ¿Entonces por qué no simular  la física cuántica con verdadera física cuántica?

Las simulaciones cuánticas podrían proveer nuevas percepciones en las proteinas que podrían revolucionar la medicina. Ahora mismo no sabemos si las computadoras cuánticas serán solo una herramienta muy especializada o una gran revolución para la humanidad. Una de las principales barreras teóricas para desarrollar algoritmos enfocados a ordenadores cuánticos: sí, podemos hacer muchísimas operaciones paralelas, pero no podemos obtener los resultados de todas ellas y hay que buscar formas de extraer la información que nos interesa de ahí. No se conocen sus límites todavía.

REFERENCIAS:

http://www.medciencia.com/aprende-como-funciona-un-ordenador-cuantico-en-5-minutos/l

http://www.efefuturo.com/noticia/el-ordenador-cuantico-no-es-ciencia-ficcion/

http://www.genbeta.com/herramientas/computacion-cuantica-asi-funciona-lo-que-probablemente-sea-el-futuro-de-la-tecnologia

https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28 (traducción)

http://jlgs.com.mx/articulos/ciencia/numeros-primos-y-criptografia/

http://blogs.20minutos.es/ciencia-para-llevar-csic/2014/06/30/numeros-primos-los-guardianes-de-internet/

http://www.cienciaxplora.com/divulgacion/principios-basicos-encriptacion-entender-como-snowden-jugo-casa-blanca_2013082600229.html

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https://singularidadpara7000millones.wordpress.com/tag/evolucion-de-los-procesadores-intel/

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